动态机械分析仪在高分子物理实验教学中的应用实例

赵成吉

(吉林大学化学学院高分子科学系，吉林 长春 130012)

动态机械分析仪在高分子物理实验教学中的应用实例

赵成吉

(吉林大学化学学院高分子科学系，吉林 长春 130012)

将动态机械分析仪应用于高分子物理实验教学中，有助于学生加深对高分子物理课堂所学粘弹性现象的理解。我们围绕该仪器设计了多套研究性实验项目，使学生充分了解动态力学分析原理和方法，学会使用该仪器测定高分子的粘弹性能，并从分子运动的角度来解释高分子的动态力学行为。这些实验项目的设置，对培养学生的实验技能和动手能力、综合利用所学知识分析和解决问题能力和激发科研兴趣等方面起到了积极作用。

动态机械分析仪；高分子物理实验；粘弹性

高分子物理是研究高分子的结构与性能及其关联的一门学科，也是探索各种环境下高分子各运动单元运动规律的一门学科[1]。主要内容包括：高分子的链结构，凝聚态结构，聚合物的分子量及分子量分布，聚合物的分子运动和转变，聚合物的机械强度，聚合物的高弹性与黏弹性，聚合物的流变性能，以及高分子溶液性质等[2]。开设高分子物理实验，一方面通过亲身实践让学生加深对高分子结构、性能及两者相互关系的基本知识与高分子物理原理的理解，另一方面了解高分子结构与性能的评价方法与原理，培养灵活运用高分子物理基础知识分析实际问题的能力，为高分子科学的前沿知识学习和相关领域的科学研究打好基础[3]。

高分子是一种典型的黏弹性材料，表现出突出的力学松弛现象。对其进行动态力学性能测定，可以得到高分子结构与性能方面的多重信息，如高分子的松弛转变过程及特征温度、交联固化程度、相结构与相转化、阻尼特性等[4-5]。因此动态力学分析仪(DMA)在高分子科学研究和工业应用领域具有非常重要的应用。为了培养学生的创新能力，开拓学生的学术视野，吉林大学化学学院国家级化学实验教学中心购置了DMA Q800动态力学分析仪(美国TA公司)。DMA Q800采用非接触式线性驱动马达代替传统的步进马达直接对样品施加应力。以空气轴承取代传统的机械轴承以减少轴承在运行过程中的摩擦力，并通过光学读数器来控制轴承位移，精确度达1nm；配置多种先进夹具(如三点弯曲、单悬臂、双悬臂、剪切、压缩、拉伸等夹具)，可进行多样的操作模式，如共振、应力松弛、蠕变、固定频率温度扫描(频率范围为0.01～200 Hz，温度范围为-180～600℃)、同时多个频率对温度扫描、自动张量补偿功能等，通过随机专业软件的分析可获得高解析度的聚合物动态力学性能方面的数据。我们将其引入到高分子物理实验教学中，并围绕该仪器设计了多套研究性创新实验项目，极大地调动了学生的积极性和兴趣，取得了良好的教学效果。下面将介绍几个我们所设计的研究性教学项目的实例。

1 聚甲基丙烯酸甲酯的动态力学温度谱及转变温度测定

高分子具有多种运动单元，表现出多重运动模式。各种运动单元的热运动对温度和时间具有强烈的依赖性。因此，在宽广的温度或频率范围对高分子材料进行动态力学测定，可以得到该材料的动态力学温度谱或频率谱。通过谱图中储能模量( E′)、损耗模量(E″)和力学损耗(tanδ)随温度或频率的变化，研究高分子的分子松弛与转变过程，测定其玻璃化转变温度等转变温度。在玻璃化转变时，高分子的力学性质变化相当显著。在几度的转变温度区前后，E′将会迅速下降3到4个数量级，链段运动被激发，引起很大的能量损耗，从而使E″和tanδ出现极大值。从模量的下降和损耗峰出现极大值可以判断高分子的玻璃化转变温度。在教学实践中，我们以聚碳酸酯长方形样条作为实验样品。试样尺寸要求：长a=35～40mm；宽b≤15mm；厚b≤5mm。要求学生准确测量样品的宽度、长度和厚度，各取平均值记录数据。采用双悬臂夹具进行测试。测试温度为常温至180℃，维持频率恒定为1 Hz。要求学生了解聚合物动态力学分析原理和方法，学会使用DMA测定聚合物的动态力学温度谱，并从分子运动的角度来解释高分子的动态力学行为，记录高分子的玻璃化转变温度。并请学生思考如果改变测试的频率和升温速率，测得的高分子的玻璃化转变温度将如何变化？

2 环氧树脂阻尼材料的动态力学频率谱及阻尼性能分析

高分子材料是一种典型的粘弹性材料，在交变应力的作用下，由于链段运动受到内摩擦阻力的影响，使得运动跟不上外力的变化，造成高分子材料的滞后现象。由于应变变化跟不上应力变化，在循环变化过程中，一部分的能量以热量的形式耗散掉了，产生力学损耗或内耗。将机械振动能转变为热能而耗散的材料，称之为阻尼材料，广泛应用于电路板等电子产品的减震和降低机械的噪音污染等领域。我们高分子物理实验教学团队中，有一位教师的研究方向是聚氨酯微胶囊的制备及其环氧树脂复合材料的阻尼性能的研究。将教师的科研内容转化为教学实验内容是我们实验教学改革中的重要环节。在实验教学中，将科研中的测试样品用于实验教学中，在完成对学生基本实验技能的培养外，通过引导学生查阅相关背景文献，了解前沿科研领域；通过组织学生讨论和分析测试结果，撰写结合科研内容的实验报告，培养学生科研兴趣和创新意识。在教学实践中，由指导教师实验前一周提供给学生相关参考文献，要求学生在预习报告中对背景知识做充分了解，并准备好添加了微胶囊和未添加的环氧树脂固化样条。课堂上指导学生利用 DMA Q800 对样条的动态力学性能进行测试分析。采用的夹具种类为三点弯曲夹具，动态力学频率谱测试的温度为常温，频率扫描区间为 1-100 Hz。损耗因子 tanδ是衡量材料阻尼性能的重要参数。一般来说，tanδ-频率曲线越平缓，tanδ值越高的高分子材料，阻尼性能越好。要求学生针对得到的两条tanδ-频率曲线，分析微胶囊的加入对环氧树脂的阻尼性能的影响，并结合文献做出合理的解释。

3 聚氯乙烯薄膜的蠕变性能实验

蠕变是重要的高分子静态粘弹性现象之一，是在一定的温度和一定的外力(拉伸、剪切、压缩等)作用下，高分子的形变随着时间的推移而逐渐发展的现象。粘弹性材料的形变同外力作用的时间有关，描述这种关系的应变-时间曲线称之为蠕变曲线。在某一时刻撤除外力后，应变与时间的曲线称之为蠕变回复曲线。从分子运动的观点分析蠕变现象，形变可分为三类：(1)普弹形变；(2)高弹形变；(3)永久形变。蠕变现象同温度的高低及外力的大小有关。温度太低，外力太小时，形变很小而且很慢，在短时间内不易察觉蠕变现象。一般温度在Tg附近，适当外力作用下，链段既可以运动，又有较大的运动阻力，可以观察到明显的蠕变现象。高分子材料的蠕变性能反映了材料的尺寸稳定性。在教学实践中，我们选择利用DMA Q800的蠕变/应力松弛模式测试聚氯乙烯薄膜样条的蠕变性能实验。采用热压法制备聚氯乙烯薄膜，并将其裁成厚度为0.5～2.0 mm，宽度为3～6 mm, 长度为20～30mm薄膜样条。采用薄膜拉伸夹具，拉伸力恒定为3 N, 温度恒定在30 ℃，恒温时间为10 min，其中蠕变时间为5 min，恢复时间为5 min。再分别在40 ℃和50 ℃进行蠕变和蠕变回复曲线的测定。通过分析不同温度下的该材料蠕变及回复曲线，要求学生掌握高分子材料蠕变的概念和测试方法，了解测试条件对测试结果的影响。

4 聚氯乙烯/ABS共混体系相容性实验

高分子共混物的粘弹性受到体系组分间相容性、组分相对含量及相态结构的影响。相容的高分子共混体系在其动态力学温度谱中表现出一个与组成含量有关的主转变，不相容体系中则出现了两个与各自组分相对应的主转变。因此，动态力学分析仪可以应用于高分子共混体系或嵌段共聚物的相容性研究。在教学实践中，事先将聚氯乙烯树脂和ABS 接枝共聚物按一定的质量比混合均匀，在双辊开炼机上170 ℃下混炼 5 min，接着在平板硫化机上 185℃下压制成标准样条。测试频率选定为 1 Hz，升温速率为 3 ℃/min。在共混物的动态力学温度谱上，学生可观察到共混物存在两个tanδ 松弛峰，分别对应于 聚氯乙烯相和 ABS 相的Tg。随着两相相容性的增加，可以看到两相松弛峰相互靠近，两峰界限变得模糊。学生通过实验操作和对谱图中模量下降和出现内耗峰的分子运动机理的分析，有助于更直观地掌握高分子共混物或嵌段共聚物的相态结构，也有助于理解共混物的粘弹性与组分间相容性、组分相对含量及相态结构的关系。

5 结语

高分子的粘弹性是高分子物理课程的重点章节，相关知识点繁多且抽象。借助于相关实验，学生可直观地观察和测量高分子的粘弹性，更好地理解课堂上学到的相关知识。动态力学分析仪是表征高分子的粘弹性的有效工具。将动态力学分析仪引入到高分子物理实验教学中，并充分发挥其作用，设置多层次的可供选做的实验项目，对培养学生的实验技能和动手能力、综合利用所学知识分析和解决问题能力和激发科研兴趣等方面起到了积极作用。

[1] 刘凤岐,汤心颐．高分子物理[M]．北京：高等教育出版社，2004.

[2] 金日光,华幼卿．高分子物理[M]．北京：化学工业出版社，2006.

[3] 杨海洋,朱平平,何平笙． 高分子物理实验[M]．合肥: 中国科学技术大学出版社，2008．

[4] 刘 晓．动态热力学分析在高分子材料中的应用[J]．工程塑料应用, 2010, 38(7), 84-86.

[5] 过梅丽.高聚物与复合材料的动态力学热分析[M].北京:化学工业出版社, 2002.

(本文文献格式：赵成吉.动态机械分析仪在高分子物理实验教学中的应用实例[J].山东化工，2017，46(06)：124-125.)

Application of Dynamic Mechanical Analyzer in Polymer Physics Experiments Teaching

ZhaoChengji

(College of Chemistry, Jilin University, Jilin, Changchun 130012, China)

The application of dynamic mechanical analyzer in polymer physics experiment teaching will help students to deepen their understanding of viscoelastic phenomena in polymer physics. We designed several experimental experiments around this instrument, so that students fully understand the principles and methods of dynamic mechanical analysis, learn to use this instrument to determine the viscoelastic properties of polymers, and explain the dynamic mechanical behavior of polymers from the molecular movement point of view. The setting of these experiments has played a positive role in cultivating students' experimental skills and practical ability, comprehensively utilizing the knowledge to analyze and solve the problems, and stimulating students' scientific research interests.

dynamic mechanical analyzer；polymer physics experiment；viscoelasticity

2017-0216

赵成吉 (1981—)，副教授，理学博士，从事高分子物理教学与研究工作。

G642.2

B

1008-021X(2017)06-0124-02